深部開采和支護現(xiàn)狀

深部開采和支護現(xiàn)狀第1頁/共38頁2023/4/172目前國有重點煤礦中采深大于700m的礦井有50多處，以每年8~12m的速度遞增國內(nèi)：沈陽采屯礦1197m；浙江長廣集團1000m；新汶孫村礦1055m；北票冠山礦1059m；徐州張小樓礦1100m；開灤趙各莊礦1159m；北京門頭溝1008m。德國2002年平均采深1300m，最大采深1500m；超過1000m的國家：

俄羅斯英國波蘭日本比利時等。

國外：第2頁/共38頁2023/4/173我國是一個缺油、少氣、富煤的國家，煤炭是我國的主要能源。世界能源消費結(jié)構(gòu)煤炭71.6%煤炭27%石油19.8%石油40%天然氣2.1%天然氣23%其它6.5%其它10%世界和我國能源消費結(jié)構(gòu)第3頁/共38頁2023/4/174中國一次能源消費結(jié)構(gòu)目前我國煤炭占能源總消費的70%左右。Mt中國煤炭在能源消費結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位為了滿足國民經(jīng)濟建設(shè)的需要，在今后相當(dāng)長的歷史時期內(nèi)仍需保證煤炭的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)?！锏?頁/共38頁2023/4/175目前我國煤炭占能源總消費的70%左右。我國石油資源將在2030年耗盡。為了滿足國民經(jīng)濟建設(shè)的需要，在今后相當(dāng)長的歷史時期內(nèi)仍需保證煤炭的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。中國煤炭在能源消費結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位煤炭消費預(yù)測第5頁/共38頁2023/4/176中國煤炭資源按深度分布的儲量儲量，億t其中1000m以下的煤炭儲量2.95萬億噸，約占總儲量的53%（資料來源：徐永圻主編，中國采煤方法圖集）第6頁/共38頁2023/4/177

由于開采深度的加大，巖體應(yīng)力急劇增加，地溫升高，當(dāng)巖體應(yīng)力達到甚至超過巖體強度時，有關(guān)巖體力學(xué)科學(xué)與工程的若干問題由量變逐漸發(fā)生質(zhì)的變化，造成資源開采的極端困難，并引發(fā)礦井重大安全事故危險性增加，嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。無論從戰(zhàn)略高度還是從當(dāng)前生產(chǎn)實際出發(fā)，都迫切需要積極開展深部開采中的基礎(chǔ)理論研究，以求在新理論的指導(dǎo)下，使實用技術(shù)有新的突破和發(fā)展，使礦井深部開采走上安全、高產(chǎn)高效的健康軌道。必須從巖石力學(xué)性質(zhì)的基本理論出發(fā)，探索有效的深部采礦和施工技術(shù)、以及防治工程災(zāi)害的基礎(chǔ)理論和技術(shù)手段。第7頁/共38頁2023/4/178

深部開采誘發(fā)的工程災(zāi)害

巷道圍巖變形量增大采場礦壓顯現(xiàn)劇烈巷道中巖爆危險性增加瓦斯涌出量增大地溫升高、作業(yè)環(huán)境惡化突水事故趨于嚴重井筒破裂加劇煤自燃發(fā)火、礦井火災(zāi)加劇第8頁/共38頁2023/4/179

巷道圍巖變形量增大

(1)巷道變形速度快、變形量大、巷道圍巖變形范圍大;(2)巖性對巷道變形的影響更加明顯。采深對軟巖巷道、煤層巷道的影響尤為顯著；

(3)巷道維護難度增大，廢棄巷道數(shù)量增加；

(4)巷道持續(xù)變形、流變成為深部巷道變形的主要特征；深部巷道圍巖變形表現(xiàn)出以下特征：(5)采深越大，開采對巷道變形的影響越大，影響程度也越劇烈；

(6)多數(shù)設(shè)的巷道保護煤柱達不到保護巷道的目的，對巷道維護十分不利；

(7)巷道對支架的工作性能要求更高，必須提高支架初撐力、工作阻力和可縮量；

(8)巷道布置、開采順序和開采邊界對巷道維護影響增大。第9頁/共38頁2023/4/1710

德國魯爾礦區(qū)在1100m下開采，巷道寬6m，煤層厚1.9m。底板在24小時內(nèi)臌起0.8m，煤層移出0.5m。第10頁/共38頁2023/4/1711鶴壁礦務(wù)局10礦

-575水平南大巷

（采深725m）支架

扭曲變形第11頁/共38頁2023/4/1712梯形礦工鋼冒頂翻修U型鋼支護翻修極易離層破碎型頂板(Ⅳ、Ⅴ類)巷道的支護狀況第12頁/共38頁2023/4/1713第13頁/共38頁2023/4/1714

采場礦壓顯現(xiàn)劇烈

我國煤礦生產(chǎn)實踐表明：采深對采場支護方面的影響不十分明顯，而煤壁片幫、端面冒落帶高度卻隨采深的增加而明顯增大。國外金屬礦開采實踐表明：深部采場更容易發(fā)生巖爆等動力災(zāi)害。長壁工作面房柱工作面第14頁/共38頁2023/4/1715

采場和巷道中巖爆危險性增加

由原始沉積作用和后期構(gòu)造作用造成的含煤巖系的非連續(xù)性和非均質(zhì)性，隨著煤炭采深的增加引起的覆巖自重壓力的增大和構(gòu)造應(yīng)力的增強，表現(xiàn)為圍巖發(fā)生劇烈變形、巷道和采場失穩(wěn)、并易發(fā)生破壞性的沖擊地壓，給巷道支護和頂板管理帶來許多困難。第15頁/共38頁2023/4/1716巖爆次數(shù)與采深的關(guān)系(波蘭上西里西亞煤田)第16頁/共38頁2023/4/1717我國煤礦深井沖擊地壓發(fā)生情況第17頁/共38頁2023/4/171850年代中期印度某金礦巷道中巖爆造成的戲劇性效果(dramaticeffect)巖爆前中度破壞區(qū)第18頁/共38頁2023/4/1719嚴重破壞區(qū)完全閉合區(qū)第19頁/共38頁2023/4/1720

瓦斯涌出量增大

隨著開采深度的增加，瓦斯急劇增大，瓦斯災(zāi)害頻繁。近年來，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡10人以上的煤礦事故70％出現(xiàn)在中國東部礦區(qū)。第20頁/共38頁2023/4/1721煤層瓦斯壓力與采深的關(guān)系(南桐、天府、六枝等地)煤層瓦斯壓力與采深的關(guān)系(松藻、芙蓉、陽泉、焦作等地)第21頁/共38頁2023/4/1722發(fā)生在上山中的煤與瓦斯突出(德國魯爾礦區(qū)，突出煤量30t，瓦斯涌出量300m3)第22頁/共38頁2023/4/1723

德國某一煤巷中的煤與瓦斯突出：(巷道寬6m，高3m。同時從掘進頭兩幫的煤壁中向掘進空間拋出，約50m巷道被毀，瓦斯涌出量4.2萬m3)向前15m巷道被擠壓成一個小孔第23頁/共38頁2023/4/1724煤巷中煤的突出(巷道寬2.5m，高1.6m,煤體從兩壁拋出，在巷道中線箭頭處相互擠壓,而頂?shù)装鍏s穩(wěn)定)第24頁/共38頁2023/4/1725深部開采與淺部的根本區(qū)別：“三高”和時間效應(yīng):

地應(yīng)力高(自重應(yīng)力>約18MPa)

溫度高

(礦山一般30-400C,個別達520C,最高達700C;5000m油井達150-2500C)

滲透壓(>約7MPa)較強的時間效應(yīng)第25頁/共38頁2023/4/1726深部開采的科學(xué)問題深部巖體處于“高溫、高壓、高孔隙壓”條件，巖石力學(xué)的基本性質(zhì)（即變形特征、破壞特征與強度特征等）都將發(fā)生變化，因此，我們應(yīng)該研究深部巖石在高應(yīng)力、高溫條件下組織結(jié)構(gòu)的變化、巖石脆性-延性轉(zhuǎn)化的機理、巖石變形特征、破壞特征、強度準則、以及本構(gòu)方程。更重要的是在研究深部巖石力學(xué)基礎(chǔ)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，要借助有關(guān)學(xué)科的研究成果，形成一些新的理論和方法。

地應(yīng)力巖石強度性質(zhì)巖石變形特征巖石破壞特征巖石的熱-水力耦合性質(zhì)第26頁/共38頁2023/4/1727

地應(yīng)力垂直應(yīng)力(Brown&Hoek,1978)開采深度

垂直應(yīng)力:

巖層因自重引起的垂直應(yīng)力隨深度增加呈線性增大。第27頁/共38頁2023/4/1728

地應(yīng)力水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比(Brown&Hoek,1978)開采深度

水平應(yīng)力:

根據(jù)世界范圍內(nèi)116個現(xiàn)場資料:埋深≤1000m，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值大約為1.5-5.0埋深≥1000m，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值逐漸趨于集中，約為0.5-2.0第28頁/共38頁2023/4/1729

水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度的變化與國外實驗結(jié)果趨于一致。(根據(jù)中國的有關(guān)資料)開采深度平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比在深部開采條件下，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比趨于集中、并逐漸減小第29頁/共38頁2023/4/1730

巖石強度性質(zhì)總體上說：巖石的強度隨深度的增加而有所提高<20MPa20-40MPa40-60MPa60-80MPa80-100MPa>100MPa>1400m1200-1400m1000-1200m800-1000m600-800m<600m(%)第30頁/共38頁2023/4/1731

巖石變形性質(zhì)

(1)巖石的脆性-延性轉(zhuǎn)化性質(zhì)

巖石在淺部表現(xiàn)為脆性，在深部則很可能轉(zhuǎn)化為延性(ductile)。在實驗中巖石的這種性質(zhì)是隨著圍壓的升高而發(fā)生的，往往存在一個“脆性-韌性轉(zhuǎn)化臨界圍壓”，對應(yīng)到工程中實際上就是臨界深度。

脆性力學(xué)響應(yīng)韌性行為力學(xué)響應(yīng)

(ductilebehavior)第31頁/共38頁2023/4/1732

巖石變形性質(zhì)

(2)巖石的剪漲或擴容(dilatancy)現(xiàn)象不明顯

實驗研究表明，在低圍壓下(相當(dāng)于淺部開采)，巖石往往會在低于峰值強度時由于內(nèi)部微裂紋張開而產(chǎn)生擴容現(xiàn)象，但在高圍壓下，巖石的這種擴容現(xiàn)象不明顯甚至完全消失。第32頁/共38頁2023/4/1733

巖石破壞特征1.脆性能或斷裂韌度側(cè)向應(yīng)力控制的控制的破壞斷裂生長破壞淺部開采條件下深部開采條件下2.動態(tài)破壞準靜態(tài)破壞(quasi-static)(Cleary,1989)第33頁/共38頁2023/4/1734深部開采的巖層控制理論、技術(shù)問題查清深部礦區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場特征，研究深層開挖條件下巷道和采場應(yīng)力場分布特征及演化，高地應(yīng)力條件下巷井道圍巖變形破壞機理及探討現(xiàn)代應(yīng)力場條件下井巷支護構(gòu)筑物與圍巖運動耦合作用機理。第34頁/共38頁2023/4/1735巷道失穩(wěn)、頂板破壞、巖層移動機理等問題

深井巷道圍巖變形破壞與采深關(guān)系的研究深井圍巖流變性對巷道變形破壞的理論研究深井回采巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究第35頁/共38頁2023/4/1736

深部軟巖巷道支護理論與技術(shù)問題變形特征：圍巖軟，強度低、具有膨脹性深度大，應(yīng)力水平高動荷載作用大變形、大地壓、難支護變形機理：擠壓流